全息投影技術(shù)的地質(zhì)應(yīng)用

孫福玉

摘? 要：文章對(duì)全息投影技術(shù)的基本原理進(jìn)行研究分析，表明目前地學(xué)領(lǐng)域?qū)τ谌⑼队凹夹g(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。從全息投影技術(shù)的初步發(fā)展出發(fā)，探究全息技術(shù)的理論基礎(chǔ)。進(jìn)而引入地質(zhì)領(lǐng)域，將其就防災(zāi)降險(xiǎn)、機(jī)械設(shè)備監(jiān)控、地下地質(zhì)體虛擬成像等方面應(yīng)用發(fā)表自己的看法。

關(guān)鍵詞：全息投影;防災(zāi)降險(xiǎn);設(shè)備監(jiān)控;虛擬成像

中圖分類號(hào)：TN26? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0195-02

Abstract： In this paper， the basic principle of holographic projection technology is studied and analyzed， which shows the present situation of the application of holographic projection technology in the field of geoscience. Starting from the preliminary development of holographic projection technology， this paper explores the theoretical basis of holographic technology. Then it is introduced into the geological field to express its own views on the application of disaster prevention and reduction， monitoring of machinery and equipment， virtual imaging of underground geological bodies and so on.

Keywords： holographic projection; disaster prevention and reduction; equipment monitoring; virtual imaging

引言

從古至今人類對(duì)于大自然的描述從未停止前進(jìn)的腳步，從口頭相傳到實(shí)物代意、從文字蘊(yùn)含到象形圖畫(huà)、從山河水墨到五彩繽紛。全息影像技術(shù)理念的最初提出者是一名光學(xué)物理學(xué)家，但由于當(dāng)時(shí)人們對(duì)干涉與衍射的研究分析還停留在底片階段，發(fā)展受到極大限制。當(dāng)激光進(jìn)入人們視野之后，便出現(xiàn)了利用投射理論的全息成像之后還出現(xiàn)了空氣投影和交互技術(shù)相結(jié)合的新理念。

地質(zhì)行業(yè)從建業(yè)初期截至目前為止，人為地質(zhì)災(zāi)害一直是個(gè)大難題，人為采空區(qū)的崩塌事故、礦災(zāi)礦難頻發(fā)這些問(wèn)題是否可以通過(guò)全息技術(shù)做到提前預(yù)防呢？施工和勘探所需要的大型儀器設(shè)備精密復(fù)雜，其工作過(guò)程中的參數(shù)只能通過(guò)二維視圖或者人為抽象調(diào)試，使工作效率低，耗費(fèi)人力財(cái)力大，不能直觀具體的展現(xiàn)在人們眼前。自從全息投影技術(shù)的研究成果進(jìn)步迅速，使這些問(wèn)題或許有新的解決方案。

1 全息投影技術(shù)的理論基礎(chǔ)

光在空氣中傳播的波動(dòng)方程可表示為以下時(shí)距曲線：

因?yàn)樽匀唤缰械墓忮e(cuò)綜復(fù)雜，是由不同單色光相干疊加后形成，所以自然光的波動(dòng)方程可表示為：

由普通拍照設(shè)備所記錄的信息可以將光強(qiáng)表現(xiàn)到極致，但是記錄的場(chǎng)景卻是某一時(shí)刻的信息，無(wú)法得到不同時(shí)刻不同振幅引起的相位變化，因此喪失了實(shí)物的立體效果。而全息投影技術(shù)下的全息相機(jī)的記錄手段有所不同，避免了相位信息的丟失。它的機(jī)理可簡(jiǎn)單描述為分光成像，通過(guò)特定的光學(xué)儀器可將激光射線n等分，利用某一部分光照直接照射在底片上，當(dāng)作參考。另一部分光照則照射到物體上，借助物體的反射間接照射在底片上。在底片上便是兩者的相干疊加。

直接照射公式如下：

間接照射公式如下：

將二者相加便得到具有相位信息以及光強(qiáng)信息的全息影像底片。全息技術(shù)利用干涉和衍射原理對(duì)物體加以描述并儲(chǔ)存，應(yīng)用特殊的技術(shù)手段再現(xiàn)實(shí)體的三維影像。目前舞臺(tái)上得到的立體圖像都是通過(guò)此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，但是目前的技術(shù)仍需要某種介質(zhì)當(dāng)作媒介如水霧。

2 全息投影的防災(zāi)降險(xiǎn)應(yīng)用

由于過(guò)去二十年間人們防災(zāi)意識(shí)教育的不完善加之救災(zāi)資源的匱乏，導(dǎo)致過(guò)去一段時(shí)間災(zāi)難頻發(fā)且損失慘重。國(guó)家對(duì)于災(zāi)難意識(shí)、災(zāi)害預(yù)警、抗災(zāi)救災(zāi)等方面都制定了相關(guān)措施。力求做到災(zāi)害預(yù)防和降低損失。目前我國(guó)多數(shù)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)達(dá)到教育的目的，但是弊端也非常明顯，只能按照規(guī)定好的程序往下進(jìn)行，同時(shí)無(wú)法給人以立體感覺(jué)。從而交互性難以提高。

全息投影技術(shù)可以做到將自然界實(shí)體以3D影像的形式呈現(xiàn)，人們可以裸眼觀察，不需要借助其他儀器設(shè)備，大大提高影像的真實(shí)性，帶給人們極高的視覺(jué)體驗(yàn)，使人有身臨其境的感覺(jué)。從而交互性大大提高。我們可以采取全息投影的形式給人視覺(jué)刺激，因?yàn)橛跋癞惓１普嫒鐚?shí)物一般，人們便可以根據(jù)刺激做出行為反應(yīng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)備接受響應(yīng)，做出下一步判斷，不斷地刺激、反饋中人們便可以如身臨其境般體驗(yàn)災(zāi)害的發(fā)生。

地震是自然界中常見(jiàn)的自然災(zāi)害，每天地球都要發(fā)生上萬(wàn)次的地震。對(duì)于地震的預(yù)測(cè)，無(wú)論是傳統(tǒng)地質(zhì)研究還是大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)都無(wú)法做到精確預(yù)測(cè)，因此對(duì)于地震降低其損失是關(guān)鍵的防治措施，加強(qiáng)人們的抗風(fēng)險(xiǎn)能力是重中之重。目前已有的模擬系統(tǒng)僅僅可以按照某一設(shè)定程序進(jìn)行單一的體驗(yàn)。結(jié)合全息技術(shù)，便可以根據(jù)人們的實(shí)際反應(yīng)做出相應(yīng)判斷。大大提高人們的應(yīng)險(xiǎn)能力。

3 全息投影的設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用

截至目前為止，工程設(shè)備如挖掘機(jī)、液壓機(jī)、鉆機(jī)等大型設(shè)備工作期間的運(yùn)行狀況可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，但僅僅只能對(duì)照一系列參數(shù)或者二維圖像進(jìn)行修正。無(wú)法做到身臨其境的觀測(cè)，使得難免出現(xiàn)紕漏。為了保證工作人員的安全，降低工作難度，可以采用全息投影的形式呈現(xiàn)在技術(shù)員面前，更加真實(shí)直觀的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

首先根據(jù)給定設(shè)備的三維圖像以及參數(shù)進(jìn)行3D建模，采集的信息盡量詳盡。在設(shè)備關(guān)鍵部位附近安裝位置測(cè)定裝置，通過(guò)對(duì)設(shè)備的實(shí)際操作，便記錄下正常工作時(shí)的流程動(dòng)態(tài)圖。編寫(xiě)適當(dāng)?shù)哪_本，使其能詳細(xì)描述設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程。導(dǎo)出圖片序列，使用此圖片序列合成制作視頻。通過(guò)全息技術(shù)裝置將視頻轉(zhuǎn)化為真實(shí)的三維圖像。

在獲取信息階段利用的基本原理是光的干涉，以此來(lái)記錄相關(guān)光強(qiáng)、相位等信息。在成像階段利用的基本原理是光的衍射，以此來(lái)重現(xiàn)光強(qiáng)、相位等信息。由此可見(jiàn)，全息技術(shù)突破距離限制，通過(guò)轉(zhuǎn)換視頻源就可以做到隨時(shí)查看。這樣就做到對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，給調(diào)試員以真實(shí)的體驗(yàn)，調(diào)控精度得到提高。此外，在有些觀測(cè)難度大的地方，安全系數(shù)低的工區(qū)如深井中或者復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造地段，全息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更加突出。

由于全息技術(shù)新穎，給人的體驗(yàn)效果極佳，可以大大提高興趣指數(shù)。強(qiáng)大的沉浸感和視覺(jué)體驗(yàn)也是其鮮明特點(diǎn)，將其應(yīng)用到教學(xué)會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。

4 全息投影的虛擬成像應(yīng)用

在過(guò)去的幾十年里，從小學(xué)教室到大學(xué)教室，無(wú)不使用上了投影儀。將書(shū)本以及課外知識(shí)轉(zhuǎn)化為二維視圖。大大提高了國(guó)內(nèi)辦學(xué)水平和科教實(shí)力，將信息以不同的載體呈現(xiàn)是發(fā)展的總趨勢(shì)。在未來(lái)的幾十年間，3D投影勢(shì)必會(huì)走進(jìn)課堂。截至目前為止，無(wú)論是電影院還是VR虛擬設(shè)備都有一定的局限性，需要一定的技術(shù)和設(shè)備支持，應(yīng)用到教學(xué)過(guò)于繁瑣成本太高。

在地質(zhì)行業(yè)中，此技術(shù)或?qū)?yīng)用到教學(xué)。在課堂上學(xué)生可以身臨其境般體驗(yàn)以前抽象的概念。親眼目睹地下地形構(gòu)造，模擬演示構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響。地下介質(zhì)是三維實(shí)體，目前的教學(xué)僅僅將地震波的傳播看作是二維傳播，隨著全息影像的應(yīng)用，或許可以更加直觀的演示地震波曲面復(fù)雜傳播過(guò)程。深海資源探查，也可以應(yīng)用此技術(shù)模擬海洋環(huán)境，提高開(kāi)采精度和勘探水平。也可以把星空宇宙投射到現(xiàn)實(shí)生活中，給學(xué)生更加直觀的觀影體驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論是防災(zāi)降險(xiǎn)還是未來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)程操控，抑或3D立體投影投入教學(xué)應(yīng)用。全息技術(shù)的支持支撐，交互性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，3D建模水平的提高都不可或缺。在未來(lái)幾十年間，全息技術(shù)投入各行各業(yè)的應(yīng)用都是大勢(shì)所趨。并且，全息技術(shù)的大量應(yīng)用必定會(huì)給人們的生活帶來(lái)翻天覆地的變化，未來(lái)眾多生活必需品如手機(jī)或許都將迎來(lái)不小的變革。

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